Вещество Вагуса: Открытие Химической Синаптической Передачи

Введение

Современное описание вещества, называемого "vagusstoff"

Vagusstoff (буквально переводится с немецкого как "вещество блуждающего нерва") относится к веществу, высвобождаемому при стимуляции блуждающего нерва, которое вызывает снижение частоты сердечных сокращений. Открытый в 1921 году физиологом Отто Леви, vagusstoff стал первым подтверждением химической синаптической передачи и первым обнаруженным нейромедиатором. Позже было подтверждено, что это ацетилхолин, который был впервые идентифицирован сэром Генри Халлеттом Дейлом в 1914 году. За свои новаторские эксперименты в 1936 году Леви был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине, которую он разделил с Дейлом.

Открытие Vagusstoff

К тому времени, когда Лёви начал свои эксперименты, среди ученых велись оживленные дискуссии о том, химической или электрической природы связь между нервами и мышцами. Эксперименты Луиджи Гальвани в XVIII веке показали, что электрическая стимуляция седалищного нерва лягушки вызывает сокращение мышц ноги, и на основании этого он разработал концепцию биоэлектричества. Это привело к идее о том, что прямая электрическая связь между нервами и мышцами опосредует передачу возбуждения. Однако работы Джона Ньюпорта Лэнгли показали, что в автономной нервной системе связь в цилиарном ганглии носит химический характер. Эксперименты Лёви, опубликованные в 1921 году, окончательно разрешили этот вопрос, доказав, что синаптическая передача является химической. Лёви провел очень простой, но элегантный эксперимент. Используя изолированное сердце лягушки, он ранее обнаружил, что стимуляция блуждающего нерва приводит к замедлению сердечного ритма, а стимуляция симпатического нерва – к его ускорению (рисунок 1). Он предположил, что стимуляция блуждающего или симпатического нерва вызывает высвобождение нервным окончанием вещества, которое либо замедляет, либо ускоряет сердечный ритм. Чтобы это доказать, он взял сердце лягушки, которое было подключено к системе перфузии для обеспечения жидкости вокруг сердца, и электрически стимулировал блуждающий нерв до замедления сердечного ритма. Затем он собрал жидкость, окружающую сердце, и добавил ее ко второму сердцу лягушки, из которого были удалены блуждающий и симпатический нервы. Добавив жидкость из первого сердца ко второму, он замедлил сердечный ритм второго сердца. Это доказало, что стимуляция блуждающего нерва вызывает высвобождение вещества, которое воздействует на сердечную ткань и непосредственно замедляет сердечный ритм. Это вещество было названо вагусштоффом. Позже было подтверждено, что вагусштофф является ацетилхолином и является основным нейромедиатором в парасимпатической нервной системе. Интересно, что идея эксперимента, по-видимому, пришла Лёви во сне. Он записал ее посреди ночи, но на следующее утро не смог разобрать свой почерк. В конце концов, ему приснился тот же сон, и он решил бежать в лабораторию, чтобы провести эксперимент посреди ночи. О происшествии Лёви пишет:
«При более трезвом рассмотрении, в холодном свете утра, я бы этого не сделал. В конце концов, было достаточно маловероятно предположение, что блуждающий нерв должен выделять тормозящее вещество; еще менее вероятно, что химическое вещество, которое, как предполагалось, эффективно на очень близком расстоянии между нервным окончанием и мышцей, выделяется в таких больших количествах, что оно переливается и, после разбавления перфузионной жидкостью, все еще способно ингибировать другое сердце» (Лёви, 1921).

By the time Loewi began his experiments there was much discussion among scientists whether communication between nerves and muscles was chemical or electrical by nature. Experiments by Luigi Galvani in the 18th century had demonstrated that electrical stimulation of the frog sciatic nerve resulted in twitching of the leg muscles, and from this he developed the concept of bioelectricity. This led to the idea that direct electrical contact between nerves and muscles mediated transmission of excitation. However, work by John Newport Langley had suggested that in the autonomic nervous system communication in the ciliary ganglion was chemical. Loewi's experiments, published in 1921, finally settled the issue, proving that synaptic transmission was chemical. Loewi performed a very simple yet elegant experiment. Using an isolated frog heart he had previously found that stimulation of the vagus nerve resulted in a slowing of the heart rate, while stimulation of the sympathetic nerve caused the heart rate to speed up (Figure 1). He reasoned that stimulation of either the vagus or sympathetic nerve would cause the nerve terminal to release a substance which would either slow or accelerate the heart rate. To prove this, he took a frog heart, which had been cannulated in order to perfuse the fluid surrounding the heart, and electrically stimulated the vagus nerve until the heart rate slowed. He then collected the fluid surrounding the heart and added it to a second frog heart which had been stripped of its vagal and sympathetic nerves. By adding the fluid surrounding the first heart to the second heart, he caused the heart rate of the second heart to slow down. This proved that stimulation of the vagus nerve caused the release of a substance which acted upon the heart tissue and directly caused the heart rate to slow down. (Figure 2) This substance was called vagusstoff. Vagustoff was later confirmed to be acetylcholine and was found to be the principal neurotransmitter in the parasympathetic nervous system. In an interesting aside, Loewi apparently had the idea for his experiment in a dream. He wrote it down in the middle of the night but the next morning could not decipher his writing. He eventually had the same dream on another night, and decided to run to the laboratory to perform the experiment in the middle of the night. About this incident, Loewi writes:
On mature consideration, in the cold light of the morning, I would not have done it. After all, it was an unlikely enough assumption that the vagus should secrete an inhibitory substance; it was still more unlikely that a chemical substance that was supposed to be effective at very close range between nerve terminal and muscle be secreted in such large amounts that it would spill over and, after being diluted by the perfusion fluid, still be able to inhibit another heart. (Loewi 1921)

Лёви повезло с выбором экспериментальной модели. У используемого вида лягушек (Rana esculenta) блуждающий нерв содержит как тормозные, так и стимулирующие волокна. Зимой преобладают тормозные волокна, поэтому Лёви также повезло, что он проводил свои эксперименты в феврале или марте. Кроме того, активность ацетилхолинэстеразы (фермента, расщепляющего ацетилхолин) низка, особенно в неотапливаемой лаборатории, что позволяет нейромедиатору оставаться достаточно долго, чтобы его можно было собрать и применить ко второму сердцу. Благодаря этому стечению обстоятельств Лёви смог описать существование вагусштоффа и доказать существование химической синаптической передачи.